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Mol Cell: Spt6利用超级增强子维持细胞多能性
发布时间:2017-10-30 18:05:21 | 浏览次数:

多梳基因家族 PcG (Polycomb Group genes) 是重要的表观遗传修饰基因,多梳抑制复合物 (PRC2) 作为 PcG 复合体的重要复合物,能够通过 H3K27me3,构建染色质的遏制状态,调控小鼠胚胎干细胞 ESC 的分化。PRC2 的核心元件为 Suz12,甲基转移酶元件为 Ezh2。而组蛋白分子伴侣 Spt6 可以加快转录延长的速度,所以称为转录延长因子。它们之间又有什么联系呢?10 月 19 日,Mol Cell 上发表的一篇来自 NIH 研究者的文章解答了这个问题。
1  Spt6 与 PRC2、H3K27me3 负相关
通过 H3K4me3、H3K4me1、H3K27ac 和 H3K27me3 的 ChIP-seq,以及与 Spt6 的数据进行比对,研究者发现 Spt6 占位于~55% 的活性增强子 (H3K4me1+/H3K27ac+),以及占位于~60% 的静态增强子 (H3K4me1+/ H3K27me3+) 上:

左图:Spt6 占位于 95% 以上的活性启动子 (TSS; H3K4me3+/ H3K27ac+) 和 90% 的二价结构域 (TSS H3K4me3+/ H3K27me3+) 上;相反,Spt6 只占位于 5% 的静态启动子 (TSS H3K4me3+/ H3K27me3+) 上。右图:Spt6 占位于 55% 活性增强子与 60% 静态增强子上。
而且,Spt6 越富集的区域,H3K27me3 越少;Suz12 和 Ezh2 上也能观察得相似情况:


由此可见,Spt6 占位与 PRC2/H3K27me3 呈负相关关系


2  Spt6 与超级增强子
研究者用 siRNA 敲降 Spt6,进行 RNA-seq,发现 ESC 的核心多能性转录因子 OSN、Essrb、Klf2 等减少,表明 Spt6 是维持它们的表达所必需的,维持着 ESC 细胞的多能性。除此以外,Spt6 会不会还调控其他元件呢?
研究者比对了 Spt6 和辅因子元件 Med1 的分布情况,发现 Spt6 与 H2K27ac 一样富集于 231 个超级增强子,而在普通增强子上的丰度很低:



Spt6 敲降后,H3K27ac 和 H3K27me3 修饰的丰度有何变化?

普通增强子整体上不受影响;而超级增强子的 H3K27ac 修饰丰度显著下降。超级增强子相关的启动子也有着比普通增强子更高的 H3K27ac 浓度。H3K27me3 的实验结果与此相似 (实验结果图可见原文)。


qPCR 实验表明,敲降 Spt6 后,Nanog、Tmem131 和 Tcf15 上的超级增强子 eRNA 转录减少。


H3K27ac 和 eRNA 都是增强子活性的指示物,所以以上实验结果表明 Spt6 能调控 ESC 超级增强子的活性。


3  Spt6 和 Ezh2 竞争与 Suz12 结合
已知 Spt6 和 H3K27me3 呈负相关,研究者认为这可能存在一些生化基础条件才能实现,于是进行了免疫共沉淀实验:

对 Spt6 和 Eed、Ezh2 等多个 PRC2 元件进行免疫共沉淀实验,发现 Spt6 与 Suz12 存在相互作用。

IP 实验结果,观察条带可见 Spt6 越多,α-Suz12-Ezh2 越少。


结果表明,Spt6 和 Ezh2 竞争与 Suz12 结合


4   深入机制
研究者构建了稳定表达多聚 Gal4 DNA 表达位点、胸苷激酶 (TK) 启动子的细胞系,可驱动荧光素酶基因表达和四环素诱导的 Gal4-Suz12 质粒表达,即 293 Gal4-Suz12/Gal4-TK-Luc 报告系统。分别使用 H3K27me3 等抗体进行 ChIP 实验,qPCR 检测结果:

转染 Myc-Spt6 会减少 Gal4-Suz12、Ezh2 募集和 H3K27me3 在 Gal-TK-luc 转基因的募集。而转染一个缩短了的 Spt6 突变株,使它不能与 Suz12 相互作用,则不能让 PRC2、H3K27me3 和 Gal4 减少,表明 Spt6 有抵抗染色质募集 PRC2 和 H3K27me3 的作用
5  文章亮点



这项研究发现,Spt6 除了是组蛋白分子伴侣和转录延长因子,还可以抵抗 PRC2 和 H3K27me3 的形成和募集,分隔基因的转录区域和遏制区域。研究者还探究了 Spt6 能维持多能性因子的机制:富集于超级增强子,调节 H3K27 的乙酰化、甲基化和超级增强子 RNA 转录。Spt6 还和 Ezh2 竞争着与 Suz12 相互作用,这样一方面能抑制 H3K27me3 在 ESC 超级增强子和相关启动子的积累 Suz12 是 PRC2 的核心元件,阻遏 H3K27me3 在 ESC 的超级增强子和相关启动子积累;另一方面还能减少 PRC2 染色质的聚集。至此,文章的机制研究可谓十分深入。
研究中运用到的技术,主要是 ChIP-seq,以及传统的分子研究实验如 siRNA、qPCR、pull down 和 IP 等。表观遗传与超级增强子相关的文章,普遍的影响因子都比较高:此领域的研究意义重大,与疾病机理关系深远,但未阐明的问题还有很多,这些都是表观遗传与超级增强子研究受到广泛重视的因素。


原文:Wang et al., The Elongation Factor Spt6 Maintains ESC Pluripotency by Controlling Super-Enhancers and Counter- acting Polycomb Proteins, Molecular Cell (2017).

 
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